DE4230621A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen von glühendem Halbzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erkennen von glü­ hendem Halbzeug der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichne­ ten Art.

Derartige Verfahren sind seit Jahrzehnten bekannt. Sie haben mit der Entwicklung der Stahlerzeugung und - Formgebung in dem Maße an Bedeutung gewonnen, in dem kontinuierliche Verfahrensabläufe, ins­ besondere durch Stranggießen, vorherrschend geworden sind, bei denen die Verarbeitung "in einer Hitze", also ohne Zwischenabküh­ lung des Materials gekennzeichnet ist. An sich sind erhaben einge­ gossene Kennzeichnungen, für welche aufwendig bearbeitete Schablo­ nen aus feuerfestem Material benötigt wurden, visuell leicht wahr­ nehmbar, da sie Schattenkanten aufweisen. Im glühenden Zustand ver­ schwinden jedoch die von der Fremdbeleuchtung herrührenden Schat­ tenkanten infolge der eingetretenen Eigenstrahlung, die im sichtba­ ren Bereich ausgeprägt ist. Auch ein zusätzlicher Anstrich mit hit­ zebeständiger Farbe, wie bei Rohbrammen nach "Stahl und Eisen", 1967, Seite 103/104, vermag die visuelle Erkennbarkeit auch nur so­ lange zu stützen, wie die Emission bzw. Reflexion nicht durch Staubanflug beeinträchtigt ist. Bei zunehmender Temperatur geht der Kontrast des Farbanstriches und damit die visuelle Erkennbarkeit aufgrund der Eigenstrahlung des Halbzeuges verloren. Angewandte Verfahren zur Markierung mit Metallauftrag oder Pulverauftrag unterliegen den gleichen Bedingungen. Im übrigen ist die Haltbar­ keit der Kennzeichnung bei stoffschlüssiger Verbindung der Kenn­ zeichnung mit dem Halbzeug optimal. Dies trifft auch zu für das Einprägen von Kennzeichnungen mittels Prägestempeln, die aufgesetzt und eingeschlagen werden, wie nach der DE-AS 16 52 401. Die Befe­ stigung loser Platten mit Kennzeichnungsmerkmalen mittels einge­ schossener Bolzen sieht ein Verfahren nach der DE-AS 15 27 644 vor. Hierbei setzt jedoch das leichtere Verlorengehen der Kennzeichnung Grenzen, wenngleich sonst wegen der Aufhebung des Stoffverbundes der Vorteil besteht, daß die Kennzeichnung eine vom Halbzeug abweichende Temperatur annimmt und somit leichter wahrnehmbar ist. Optisch wahr­ nehmbare Markierungen werden nach der DE-OS 31 18 714 durch Einhäm­ merung oder Lasermarkierungen eingeprägt und durch eine optische Ab­ tasteinrichtung detektiert, bei welcher mittels senkrechter Beleuch­ tung eine Abtastung erfolgt, deren unterschiedliche Rückstrahlung auf die Sensoren einer Diodenzeilenkamera trifft und eine Weiterver­ arbeitung erfährt, um die Daten zu erzeugen, die sich einer Zeichen­ erkennungseinrichtung eingeben lassen. Die Beleuchtung geht dabei von einer Lampe oder einer anderen, normales Licht erzeugenden Quel­ le aus. Sowie der zu untersuchende Gegenstand auf Grund seiner Tem­ peratur zur Eigenstrahlung führt, die im Bereiche des Lichtes der Beleuchtung liegt, können die Sensoren jedoch die Markierung nicht mehr differenzieren, so daß die Markierungen bei glühenden Gegen­ ständen nicht mehr erkennbar sind.

Ausgehend von den bekannten Methoden der Markierung glühenden Werk­ zeuges und den Schwierigkeiten der Wahrnehmbarkeit fremder Markie­ rungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, derartige Verfahren so weiterzuentwickeln, daß Markierungen auch bei glühendem Halbzeug erfaßt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabenstellung durch die in den Patent­ ansprüchen gemachten Vorschläge gelöst.

Somit wird zunächst das Ausmaß der Änderung des Oberflächenreliefs vorgegeben, welches die Markierung aufweisen muß, damit sie sich im Rahmen der Erfindung von ihrer Umgebung hinreichend unterscheidet. Die Markierung kann mit den bekannten Mitteln, wie mit Prägestem­ peln, ausgeführt werden.

Wenngleich jedes Markierungsbild gewählt werden könnte, ist aus Gründen der Weiterverarbeitung einer Strichkodierung der Vorzug zu geben. Insbesondere eignet sich die Strichkodierung innerhalb einer Matrix für eine automatische Erkennung.

Der für die Beleuchtung vorgesehene Laser ist an sich von geringer Leistung, wie sie in der Meßtechnik üblich ist und nicht über 10 mW hinausgeht. Die Leistung wird jedoch in einem sehr schmalbandigen Wellenlängenbereich abgestrahlt, womit sie, bezogen auf diesen Wel­ lenlängenbereich, spezifisch sehr groß ist. Sie übersteigt die auf den gleichen Wellenlängenbereich entfallende Eigenstrahlung glühen­ den Halbzeuges in beträchtlicher Weise, so daß sie, anders als das sichtbare Licht, zur Differenzierung in Frage kommt.

Für die Aufweitung des Laserstrahls wird in bekannter Weise eine Zylinderlinse verwendet. Sie führt zu einer linienförmigen Aufwei­ tung, so daß mit Hilfe einer Spiegel-Ablenk-Einrichtung zeitlich nacheinander ein Linienraster auf die gekennzeichnete Fläche proji­ ziert werden kann. Neben HeNe-Laser werden auch Laserdioden verwen­ det, die es mit einer Wellenlängenabstrahlung von 670 nm unter der Bezeichnung TOLD 9215 oder bei 750 nm Wellenlängenabstrahlung unter der Bezeichnung LT 31 bekannt sind. (Firma Schäfter und Kirchhoff, Hamburg). Die Ablenkung läßt sich dabei in viele Einzelpositionen mit einem Abstand von jeweils 2 mm auf die zu kennzeichnende Fläche projizieren. Zu einer entsprechenden Aufweitung des Laserstrahls kommt man auch dadurch, daß die Lasereinstrahlung mit einer zusätz­ lichen Scan-Einheit ausgeführt wird, der dann eine punktweise Auf­ einanderfolge in zeitlicher Hinsicht gestattet, bei der die einzel­ nen Strahlen in der Aufweitungsebene liegen.

Synchron zu der Ablenkung wird eine CCD-Kamera betrieben, die auf die Rückstrahlung eingestellt wird, wobei die Filterung der Ab­ strahlung sehr große Sorgfalt erfordert. Die begrenzte Durchlässig­ keit daß nämlich nur im Wellenlängenbereich der Laserstrahlung vorliegen, ansonsten soll die Strahlung abgeschirmt werden. Für die Steuerung der Ablenkung und der Dioden der CCD-Kamera findet eine PC-Schnittstellenkarte Anwendung, und zwar zweckmäßig Typ 1 CC U/M SPC 256, zusammen mit Software SOURCE CCUM/II Lib. (Nano Systems GmbH Bochum). Insgesamt kommen für eine Abtastung zweckmäßig 75 Einzelpositionen mit 2 mm Abstand in Frage, bei denen für jede die Positionierungszeit für den Scanantrieb und den Spiegel unter 5 ms liegt. Während der Bildaufnahme der CCD-Kamera bleibt die Einstrah­ lung unverändert, so daß während etwa 40 ins die Dioden der CCD-Kamera abgefragt sein müssen, um das Bild der Bestrahlung wei­ terleiten zu können. Störungen, die durch Vibrationen der Spiegel­ ablenkung entstehen können, werden durch eine schwingungsgesicherte Montage der Meßeinrichtung vermieden.

Unter Verwendung der vorgeschlagenen Strichkodierung einer 8×8 Matrix sind in der Regel 75 Einzelbilder der CCD-Kamera für das Er­ kennen einer Markierung ausreichend. Dafür ist ein Zeitaufwand von mindestens 75×45 ms erforderlich. Der an sich günstigen Verwen­ dung von Laserdioden infolge ihrer geringen Abwärtsabmessungen und ihres kostengünstigen Einsatzes steht nachteilig entgegen, daß ihre Wellenlänge fertigungsbedingte Streuungen aufweist, die durch eine individuelle Filterung berücksichtigt werden müssen. Da eine Erwär­ mung gleichfalls zur Verschiebung der Wellänge führt, bedürfen die Laserdioden weiterhin einer ausreichenden Wärmeabfuhr. Um den Ein­ fluß der optischen Ausgangsleistung einer Diode auf die Veränderung der Wellenlänge zu berücksichtigen, wird sie mit einer integrierten Monitordiode auf einen konstanten Wert geregelt. Auch sind zwecks Vermeidung elektrostatischer Einflüsse gute Abschirmungen erforder­ lich. Schließlich sollte eine leichte Auswechselbarkeit gegeben sein.

Größere Meßsicherheit bietet ein HeNe-Laser mit einer Ausgangslei­ stung von z. B. 5 mW bei einer Wellenlänge von 632,8 nm. Er weist zwar eine größere Bauform auf und ist kostenaufwendig einzusetzen, jedoch hat er den für die Erfindung wesentlichen Vorteil, mit sta­ bilerer Wellenlänge zu arbeiten. Dies gestattet es, Interferenz­ filter mit einem Durchlaßbereich von nur 1 nm zu verwenden. Dabei kann die Temperatur der Gegenstände, die zu erkennen sind, bis zu 1350°C betragen, ohne daß eine Kontrastbehinderung das Ergebnis beeinträchtigen würde.

Wie bereits dargestellt, kann die Differenzierungsmöglichkeit der Laserstrahlung für die Erkennung von Markierungen bei hohen Tem­ peraturen nur dann zutreffend genutzt werden, wenn es gelingt, sie auf einen schmalen Wellenlängenbereich zu beziehen. Für die Praxis haben deswegen Interferenzfilter mit einem Durchlaßbereich von nur 1 nm Bedeutung erlangt (Lot GmbH, Riedbert). Ihre Tendenz, unter dem Einfluß der Erwärmung, die vom Halbzeug ausgeht, bezüglich ihrer Durchlässigkeit zu driften, wird vorteilhaft noch dadurch be­ gegnet, daß ein Wärmeschutzfilter vorgeschaltet wird. Auf diese Weise kann der Durchlässigkeitsbereich hinreichend stabil gehalten werden.

Zur weiteren Veranschaulichkeit der Erfindung sei auf die sich auf Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen Bezug genommen. Darin zeigen:

Fig. 1 das erfindungsgemäße Verfahren in Anwendung bei einer Rohbramme,

Fig. 2 das erfindungsgemäße Verfahren in Anwendung bei einem Vorblock,

Fig. 3 die Filterfunktion eines Interferenzfilters mit einer begrenzten Durchlässigkeit bei 670 nm, und

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung.

Die Rohbramme 1 der Fig. 1 trägt den räumlichen Stempelaufdruck 2. Sie wird vom aufgeweiteten Strahl 3 des HeNe-Lasers 4 beaufschlagt. Der austretende Strahl 5 erfährt hierzu in an sich bekannter Weise mittels der Zylinderlinse 6 eine fächerartige Aufweitung 7. Letzte­ re trifft auf den Ablenkspiegel 8, der um seine Längsachse 9 in die einzelnen Abtastpositionen verschwenkt werden kann, wie der Pfeil 10 andeutet.

Während die Oberfläche der Bramme vertikal zur Längsrichtung vom einfallenden Strahl beaufschlagt wird, ist die Beobachtungsrichtung der CCD-Kamera 11 entsprechend dem angewendeten Lichtschnittverfah­ ren unter einem Winkel geneigt. Ein Interferenzfilter ist in die Kamera eingebaut, so daß ihr Abtaststrahl 12 ein Bild auf ihre Sen­ soren wirft, welches die Schnittlinie 13 der Einstrahlung auf die Oberfläche der Bramme 1 erzeugt. Demgemäß wird der Stempelaufdruck 2 am Ende der empfangenen Bildlinie 2′ erkennbar.

Nach Fig. 2 trägt der auf dem Rollgang 15 liegende Vorblock 14 an seiner in Nähe der Zentriervorrichtung 16 befindlichen Stirnseite 17 eine Markierung, auf Grund welcher er in der erfindungsgemäßen Weise erkannt werden kann. Diesem Zweck dient der Laser 18, dessen aufgeweiteter Strahl 19 auf die Stirnseite 17 trifft. Die dabei er­ zeugte Linie wird in der CCD-Kamera 11 detektiert. Hierfür werden die Dioden der Kamera derart abgefragt, daß, während der Laser­ strahl 19 unbeweglich steht, der gesamte Beaufschlagungsbereich er­ fast wird. Auch in diesem Falle ist ein Interferenzfilter in die Kamera integriert. Wenn sämtliche Dioden der Kamera abgefragt sind, wechselt der Laserstrahl in seine nächste Stellung. Die Laser-Scan-Einheit sowie die CCD-Matrix-Kamera unterliegen einer automatischen Steuerung, so daß der Laserstrahl jeweils so lange in Ruhestellung gehalten wird, wie dies die Einlesung seiner Schnitt­ linie mit der Oberfläche erforderlich macht.

Die Filterfunktion eines erfindungsgemäß zur Anwendung gelangenden Interferenzfilters veranschaulicht Fig. 3. Das Filter besitzt eine Durchlässigkeit bei 670 nm, welche Wellenlänge durch die Linie 20 angezeigt ist. Man erkennt, wie dicht das Maximum der Durchlässig­ keit 21 des Filters an die Wellenlänge des Lasers angenähert ist. Geringe Abweichungen würden den nutzbaren Anteil der Laserstrahlung beträchtlich herabsetzen, bis er schließlich verschwinden würde. Andererseits wird deutlich, daß in einem schmalbandigen Bereich mit steilen Flanken ein Durchlässigkeitsfilter besteht, in welcher selbst ein schwacher Laser eine sehr erhebliche Strahlintensität aufweist.

Die Ausführungsform nach Fig. 4 wurde im Hinblick auf die Anwen­ dung der Erfindung bei Knüppeln mit quadratischen oder nahezu qua­ dratischen Querschnitten entwickelt. Zur Strahlenerzeugung dient auch hierbei ein HeNe-Laser 4. Man erkennt am Ausgang des Lasers eine Mikroskopoptik 16, deren Austrittsstrahl von der Zylinderlinse 6 aufgefangen wird. Der Ablenkspiegel 8 ist um seine Längsachse 9 wie schon beschrieben verschwenkbar. Die Einstellung übernimmt in bekannterweise ein Galvanometer-Scanner. Der Austritt des abge­ lenkten Laserstrahls fällt in ein Spiegelsystem 17, mit welchem die Ebene des Aufweitungsstrahls in zwei zueinander senkrechte Ebenen gekippt wird. Auf diese Weise wird zunächst ein Laserstrahlenbündel mit senkrechtem Laserstrich 18 emittiert, an dessen Stelle alternativ der gekippte Laserstrahl entsprechend dem Laserstrich 19 in horizontaler Richtung treten kann. Die von der Oberfläche des Knüppels 14 reflektierten Strahlen werden über ein Filtersystem 20, das in der beschriebenen Weise schmalbandig ist, von der CCD-Kamera 11 detektiert.

Grundsätzlich ist das Identifizieren des Strichcodes unabhängig von seiner Winkellage möglich. Das eingesetzte Lichtschnittverfahren zur Oberflächenmessung erfordert andererseits aber eine Ausrichtung des linienförmigen Laserstrahls nahezu senkrecht zur Längsrichtung der zu erfassenden Striche, die durch Stempeln, Stanzen oder Prägen erzeugt werden. Knüppel können auf dem Rollgang vier Winkelstel­ lungen (0°, 90°, 180°, 270°) mit zwei möglichen unterschiedlichen Ausrichtungen der Codestriche einnehmen. Daher werden zwei senk­ recht zueinander angeordnete Leseeinheiten erfindungsgemäß für die Identifizierung der Knüppelkennzeichen zur Verfügung gestellt. Durch den Einsatz des Umlenkspiegelsystems, das dem Scan-Spiegel nachgeordnet ist, und der darauf abgestimmten synchronen Steuerung des Scan-Spiegels, wird der linienförmig aufgeweitete Laserstrahl alternierend in Längs- und Querrichtung auf die Stirnfläche der Knüppeloberfläche projiziert. Senkrecht zueinander angeordnete CCD-Kameras erfassen im Wechsel jeweils den ihnen zugeordneten linienförmigen Laserstrahl. Die ablaufsynchrone Steuerung beider Kameras erfolgt durch den PC-Rechner.

Brammen können dagegen nur zwei Winkelstellungen auf dem Rollgang einnehmen. Dafür ist der Einsatz nur einer Leseeinheit, bestehend aus einer Laser-Scan-Einheit ohne Umlenkspiegelsystem und nur einer CCD-Kamera erforderlich.

Claims (9)

1. Verfahren zum Erkennen von glühendem Halbzeug mit rauher Oberfläche, deren Wärmestrahlung im Spektralbereich des Erkennungslichtes liegt, insbesondere von für eine nachfolgende Umformung vorgesehenen Blöcken und Brammen, die mit einer ihrer Erkennung dienenden Markierung versehen sind, welche ihr Relief verändert, dadurch gekennzeichnet,
daß die Markierung mindestens die Höhenlage des Mittenrauhwer­ tes verändert,
und daß auf die Markierung der Lichtfächer eines aufgeweiteten Laserstrahls gerichtet wird, der um eine in seiner Ebene senk­ recht zur Laserstrahlrichtung liegende Achse in verschiedene Abtastpositionen verschwenkbar gesteuert ist, um den gesamten Markierungsbereich zu erfassen, und
dessen Rückstreuung einer Filterung mittels eines Filters ausge­ setzt wird, das im Wellenlängenbereich der Laserstrahlung eine schmalbandige Durchlässigkeit auf­ weist, deren Reststrahlung durch eine Optik auf die Fläche der Fotodiodenmatrix einer CCD-Kamera fällt, deren Fotodioden derart abtastend gesteuert sind, daß die jeweiligen Abtastpositionen des Laserstrahls erfaßt werden,
an die sich eine Bildverarbeitung für die Signale der Dioden zur Erkennung der Markierung anschließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung unter Reduzierung des Rauhtiefen­ wertes vorgenommen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung mittels einer Matrix vorgegeben wird, welche eine Strichkodierung aufweist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgeweitete Fächer des Laserstrahls nahezu senkrecht auf die markierte Fläche aufprojiziert wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse der CCD-Kamera unter einem Winkel auf die Oberfläche mit der zu erkennenden Markierung ge­ richtet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Laserdioden mit einer Wellenlänge von 750 nm und einer Leistung von 10 mW aufweist, oder daß sie mit einer Laserdiode einer Wellenlänge von 670 nm, gleich­ falls bei einer Leistung von 10 mW, versehen ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen HeNe-Laser mit einer Wellenlänge von 632,8 nm bei einer Leistung von 5 mW aufweist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Filter ein schmalbandiges Interferenzfilter und/oder Reflektionsfilter vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Laserdioden eine besondere Kühlung vorgesehen ist.